网络教学系统设计与实现

智能化网络教学系统设计与实现
石河子大学信息科学与技术学院高攀郭理* 郑鸿英
摘要：基于Web的智能教学系统综合传统的ITS系统优势，同时又结合Web的特点，系统具有智能性，能够智能地引导学生学习。

本文提出了一种基于Web的智能教学系统模型，探讨了智能教学系统的知识库的设计、教学策略的设计及个性化教学的实现，最后给出系统实现的具体思路和解决方案。

1 引言
智能教学系统(Intelligent Tutoring System，ITS)作为人工智能学科的重要研究应用领域，是21世纪人类社会数字化教育的必然发展方向。

其研究涉及人工智能(Artificial Intelligence，AI)、计算机科学、认知科学、教育学、心理学和行为科学等多个学科，研究的最终目的是由计算机系统负担起人类教育的主要责任，即使计算机系统具有智能，并在一定程度上代替人类教师实现最佳教学。

由于ITS涉及到多门学科，所用到的相关学科的技术即使在本学科也不够成熟以及人类对其自身的学习过程还认识不够，所以对ITS 的研究仍存在相当大的难度，存在知识的表示、对学生的评估、对学生错误的诊断、教学规划、人机自然语言对话处理等技术难题。

2 基于Web的ITS的系统模型
2.1 传统的ITS模型
传统上，智能教学系统由四大部分组成：专家知识库(有关领域的知识描述)、学生模型(学生的知识水平和学习能力)、教师模型(知识的传授方法)和人机交互界面。

模型如图1所示。

其中人机交互界面部分是在智能教学系统和学生之间建立友好的通信交流方式，有时也被看成是教学方法的补充而作为教师模型的一部分。

传统的智能教学系统多数是单机或单独运行的(stand．alone)，系统费用昂贵，维护代价高，难以大范围推广应用。

随着Web技术的发展和不断成熟，基于Web的智能教学系统研究越来越受到重视。

在Web 上构建智能教学系统，这种方式利用网络实现了分布式教学，可以同时接受多个用户的并发访问，资源利用率大大提高，又不受时间和空间的限制，可以在最大程度上满足“因材施教”的需要。

图1传统的ITS模型
2.2 基于Web的ITS系统模型
基于Web的ITS的系统模型如图2所示。

其中，知识点库存放课程知识点，知识点可分为不同的类型和难度级别、重点度级别等；教学课件库存放各种形式的课件；教学方法库存放各种教学模板。

学生学习能力是教师实施因材施教的依据，模型突出了其重要性。

模型综合了传统ITS系统的优势，同时又结合了Web 的特点，客户端结构简单，适用范围广，人机交互界面简洁明了。

系统具有智能性，结合学生的特点进行教学，可以通过多种多样的交流工具进行有效的交互和即时的通信反馈，能够智能地引导学生学习，提供了丰富的信息来源和良好的导航结构，可以进行有效的信息过滤等等，实践证明，基于Web的ITS是ITS
系统的发展方向。

图2基于Web的ITS系统模型
2.3 系统用户及其主要功能
系统的用户可分为管理员、教师和学生三类。

管理员负责添加和删除一门课程，确认教师的身份和权限等。

教师是领域专家，具有课程的领域知识，组织和管理教学资源，负责确定某门课程的教学策略和方法，制定教学方案，设计教学模板。

学生在系统指导下学习，完成系统规定的测试。

3 关键技术
3.1 学科知识库的设计
学科知识库由学科知识体系库和教学内容库构成。

知识体系就是知识点的集合，并且包括知识点之间的相互关系结构[3]。

知识体系库包含知识点属性和知识点链接两个数据库。

知识点属性数据库是知识表示的基础，它反映知识点的集合；知识点链接数据库反映知识点之间的关系和层次结构，主要用于知识推理。

而教学内容库是根据知识点来安排的。

知识点的属性包括以下几个内容：
(1)知识点的编号应该具有唯一性，根据知识点结构图进行编号，它能够反映知识点层次，可作检索和查找用；
(2)知识点内容的类型有：事实、概念、技能、原理、问题求解等5种类型；
(3)知识点的难度有：容易、一般、难、很难；
(4)知识点的重要程度有：选学、一般、重要；
(5)知识点的教学目标有：识记、理解、应用、分析、综合、评价。

3.2 教学策略的设计
教学策略(instructional strategy)是对完成特定教学目标而采取的教学活动程序、方法、形式和媒体等因素的总体考虑。

在ITS系统中，教学策略起着核心作用。

在课件设计时，则要把这些总体考虑体现的教学内容的组织、教学任务的安排和教学交互活动的设计中。

教学元素是实现教学过程的基本元素。

常见的教学元素有:呈现教学目标、呈现正例、呈现反例、呈现知识点、呈现辅助说明、呈现例题、呈现习题、呈现评价、呈现提示、测试和提问等等。

教学元素分为两类，一类是陈述性的，一类是操作性的。

陈述性教学元素用于陈述教学材料以及评价
信息等，学习者不能对其进行操作，只能读不能写。

而操作性元素要求学生主动参与，同时根据学生的操作结果决定下一教学元素。

教学元素的结构可以描述如下:
Struct TeachElem en t {
Int teID;
Char teName [2 0];
Char tePath [2 0];
}
教学策略模板提供了一系列标准化的教学序列框架，用于对某一类知识点进行教学。

它是由教学元素以一定的方式组织起来形成教学策略模块。

一般的知识点本文系统采用如图3所示模板:
图3一般知识点模板
对于重要的知识点，本文系统采用如图4所示模板:
图4 重要知识点模板
所有的教学策略模板构成教学策略模板库，教学策略模板的具体教学内容和控制流程都存放在该库中。

对于系统中每一个知识点，它都根据学生的学习水平和目标，组合成不同的教学行为。

3.3 个性化教学的实现
基于Web智能教学系统可以比较好的实现个性化教学。

在教与学的过程中，它根据不同的学生模型和学习请求，经过推理，智能的选择最佳教学策略和教学素材来进行个性化教学。

结合系统的教学需求和教学环境，本文系统采用如图5所示的方案来实现个性化教学。

图5个性化学习的实现
在教学过程中，个性分析模块依据学生的认知能力值选择适合该生的教学策略和教学素材。

教学策略的选择在此过程中是最为关键的。

如图6:
图6教学策略的具体实现过程
4 系统实现
由于网络教学应用的需要，以及考虑系统的可维护性和可扩充性，系统采用Browser／Web／DataBase 的三层体系结构。

Web服务器接受请求，通过应用程序服务器执行一个Java服务器端小程序Servlet并返回其输出，从而实现与客户机进行信息资源的交互。

其中，客户PC机为浏览器运行平台；提供教学内容的个性化展示的由HTML和JSP实现；Web服务器生成页面由JSP和Servlet实现；处理学生模型提取、动态规划，习题测试、学生模型的更新维护以及教学控制等则由Servlet及JavaBean实现；数据库服务器提供学生模型库、教学内容库、教学策略库、试题库等。

5 结论
基于Web的智能教学系统的研究可以说仍然处于研究阶段，其主要的研究方法就是将远程教学技术与传统的智能教学系统相结合，运用人工智能技术来更加有效地实现教学的个性化和智能化。

基金项目：石河子大学自然科学研究项目基金（ZRKX2006-Y15）
作者简介：
高攀（1981—）新疆石河子大学信息科学与技术学院
郭理（1968—）新疆石河子大学信息科学与技术学院通讯作者
郑鸿英（1981—）新疆石河子大学信息科学与技术学院。